Трехфазный регулируемый инвертор

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Сфюэ СоветскихСоцналнстнческнкРеспублик ип 758442(23)ПриоритетОпубликовано 23.08.80. Бюллетень Лэ 31Дата опубликования описания 23.08.80 Гееудерстеендьй кемктет ССьр ее ледам дзееретеддй д еткрнтдд(72) Авторы изобретения Г, С. Мыцык, А. В. Чесноков, И. В. Балюс и А, И. Чернышев Московский ордена Ленина энергетический институт(54) ТРЕХФАЗНЫЙ РЕГУЛИРУЕМЫЙ ИНВЕРТОР Настоящее изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано для построения вторичных трсхфазных источников питания, а также схем управления такими источниками, предназначенных для частотного запуска и управления электроприводом переменного тока,Существуют различные возможности регулирования (стабилизации) выходного напряжения1 Ъ трсхфазных мостовых инверторов. К числу наиболсс эффективных для подавляющего числа случаев применения следует отнести различ. ные способы, основанные на принципе широтно. импульсного регулирования (ШИР). В этих случаях в течение периода выходной частоты осуществляют дополнительные регулировочные переключения ключей стойки инвертора, При этом различают две основные группы алгорнт мов переключения ключей: алгоритмы с однополярным ШИР - ОШИР и елгоритмы с двухпо. лярным ШИР - ДШИР. Число дополнительных переключений зависит от требований потребителя к величине искажений (качеству) выход. 2ного тока, Если высокое качество выходного тока нс требуется или глубина регулирования невелика (напримср, при процессах стабилизации) используют алгорйтмы только с одним регулировочным переключением на проводящем полупериоде управляющего сигнала каждого из ключей инвертора 11, 21 и 31.Однако в большинстве инверторов, реализующих алгоритмы с ОШИР, кривая выходного напряжения лри определен.ных значениях угла регулирования и угла нагрузки значительно искажается от коммутационной составляющей спектра, вызванной реакцией активно-индуктивной нагрузки, Инвер.торы, реализующие алгоритмы с ДШИР, свободны от этого недостатка, однако увеличенное число дополнительных переключении и возникающие при заом в инверторах сквозные токи ухудшают их массо-габаритные и энергетические показатели. Особенно это проявляется в тех случаях, когда из.за повышенных требований потребителя к качеству выходного напряжения число регулировочных переключений 1 ч приходится увеличивать (обычно оно не превы.шает, 3 - 4).3 758Наиболее близким по технической сущностик данному изобретению является инвертор,реализующий алгоритм с ОШИР, в которомотсутствуют дополнительные искажения, обусловленные реакцией нагрузки во всей областиизменения угла регулирования. Данный инвер.тор содержит мост управляемых ключей,мост диодов обратного тока и блок управления, В состав блока управления входят после.довательно связанные между собой задающийгенератор, распределитель импульсов и логический узел, а также модулятор ширины импульсов, включенный между задающим генератором и логическим узлом, Логическии узелвыполнен в виде шести каналов, каждый изкоторых содержит последовательно включенныетрехвходовой и двухвходовой логические эпе.менты И - НЕ и логический элемент НЕ, выходкоторого является выходом логического узла.Кривая выходного напряжения данного инвертора не зависит от характера нагрузки, однакоон дозволяет осуществлять только одно допоп.иительное регупировочное переключение в зоне2 ЩЗ - 3%/3 угла проводимости каждого из егоключейЯОбусловпенное этим невысокое качество выходного тока в процессе регулированияявляется недостатком инвертора с таким бло.ком управления,Для улучшения качества выходного токаинвертора, трехфазный регулируемый инвертор,содержащий мост ключей, управляющий входкаждого из которых связан с выходом соответствующего логического элемента НЕ, связанного своим входом через последовательно соединенные двух- и трехвходовые логическиеэлементы И - НЕ с выходом распределителяимпульсов, и задающий генератор, связанныйодним своим выходом с распределителем импульсов, и подключенного другим выходомчерез модулятор ширины импульсов к одномуиз входов каждого из трехвходовых логичес.ких элементов И - НЕ, снабжен делителем частоты, четырехвходовыми логическими элемен.тами И - НЕ,и дополнительными двухвходовыми логическими элементами Ипо числу ключейинвертора узлом измерения тока нагрузки, вы.ход которого подсоединен к одному из входоввсех четырехвходовых логических элементовИ-НЕ, другие два входа каждого из которыхсоединены с распределителем импульсов, четвер.тый с выходом модулятора ширины импупь.сов, входы дополнительного двухвходовогологического элемента И подключены соответ.ственно к выходам двухвходового и четырехвходового логическим элементов И - НЕ, а нхвыходы подключены ко входам. соответствующих логических элементов НЕ.Один из возможных вариантов узла измере.ния тока содержит датчик тока, выпопненнын 442 4в виде резистора, включенного в цепь питанияинвертора, и последовательно связанные межд собой усилитель, входом подключенный крезистору, эмиттерный повторитель и триггер.Сущность предложения поясняется чертежами.5на которых представлены: на фиг. 1 - блоксхема предлагаемого инвертора; на фиг. 2 -временные диаграммы, поясняющие принципего работы; на фиг. 3 - зависимость коэффн.1 О цнента гармоник выходного тока инвертораьэ Фот параметров углов регулирования А и на.грузки Цц для двух случаев: й = 1(а) н1 ч = 3(б); на фиг. 4 - расчетная регулировочная характеристика инвертора.Трехфазный регулируемый инвертор (см.фиг,1)содержит мост управляемых ключей 1 - б, мостдиодов обратного тока 7 - 12, блок управленияи узел измерения тока 13, для определенияугла перехода мгновенного значения фазноготока инвертора через нулевое значение, В состав блока управления входят задающий генератор (З.Г) 14, делитель частоты (Д) 15, распре.делитель импульсов (РИ) 16, модулятор ширины импульсов (МШИ) 17 и логический узел 25 (ЛУ) 18, выходы которого связаны, в общемслучае, через усилительно.развязывающее устРойство (на блок. схеме фиг. 1 оно не показано) с управляющими входами ключей ннвертора 1 - б. Задающий генератор 14 связан смодулятором ширины импульсов 17 и делителем частоты 15, выход которого связан с тактовым входом распределителя импульсов 16.Выходы распределителя импульсов 19 - 24подсоединены ко входам логического узла 18, 35 к дРугим входам которого подсоединены выходы модулятора ширины импульсов 17 и измерительного узла 13. Логический узел 18выполнен на двух-, трех- и четырехвходовыхлогических элементах И - НЕ Так как логический узел 18 содержит шесть идентичныхканалов для формирования управляющих сигна.лов шестью ключевыми элементами инвертора1 - 6, то ограничимся рассмотрением толькодвух из них, формирующих управляющие сиг калы двумя ключами стойки инвертора, например 1 и 2, К двум входам каждого изтрехвходовых логических элементов И - НЕ 25,26 подключены выходы 2224 распределителяимпульсов 16 - ко входам элемента 25, авыходы 21, 23 - ко входам элемента 26.К оставшимся входам каждого из этих элементов (25, 26) подключен выход модулятораширины импульсов 17. Выходы трехвходовыхлогических элементов И - НЕ 25, 26. подключены к одному из входов двухвходовых логических элементов И - НЕ 27, 28, к другомувходу которого подключены соответствующиевыходы распределителя импульсов 16, напри.мер выход 19 - ко входу элемента 27, а вы5 758442 Ьход 20 ко входу элсмснтд 28. Для форми.ровдния дополнительных импульсов в сигналеупрдвлсния логический узел сндбжсн четырсхвходовыми логическими элемснтдми И - НЕ29, 30, ко входам которых полключены вь 1- холы модулятора ширины имп)льсов 17, изме.рительного узла 13, а к их оставшимся входам - выходы распределителя импульсов 6;выхоцы 21 и 23 - ко вхолзм элемента 29,д выхолы 2 и 24 - ко входзм эдсментз 30. 1 ОВходы чстырехвхоловых логических элементов29, 30 подключены к олному из входов лополнитсльных двухвходовых логических элсмснтов И - НЕ 31, 32, к другим входдм которыхподключены выходы лвхвхоловых логическихэлементов И - НЕ 27, 28. Выходы логическихэлементов И - НЕ 31, 32 являются выхолдмилогического узлз 18,Измерительный узел 13 служиг для опрсдсле.ния угла перехода мгновенного значения фдз.ного тока инвсрторз через нулсвос значение(К ). В одном из возможных вари;цггов еговыполнения он содержит ддтчик токд в видерезистора 33, включенного в цепь питдния инВсрторд и последовательно связднныс между со. дбой усилитель (У) 34, эмиттсрный повторитель (ЭП) 35 и тюроговос устройство - триггер (Т) 36. Формировднис других выходныхсигналов логического уэлд 18 произвоцитсязнзлогичным образом - при подзчс нд входыэлементов логического узла 18 соотвстствую.ших сигналов с выходов распределителя имнуль.сов 16, имсюших 120-градусный фззовый сдвигпо отношению к ранее рдссмотрснным. 30 Принцип формирования сигналов логического узла 18, выходных напряжений и токов инвертора поясняется временными диаграммами, приведенными нд фиг. 2, гле 0,.1 - фоРма фззных выходных напряжения и тока инверторд при числе регулировочных пзуз ч = 4: цифры - вид сигнзлов, снимзсмых с соотвстствующих элементов схемы по фиг. 1, обозначенных теми же номерами.Рзссмотрим работу трехфазного мостового инвертора при регулировании выходного напряжения. Задающим генерзтором 14 задают выход ную частоту инвертора и осуществляют синхронизацию работы отдельных его узлов. Делитель чзстоты 15 с соответствуюшим коэффициентом деления задает число регулировочных пауз Й, выбираемое в зависимости от требований потребителя к качеству выходного тока инвертора в процессе регулирования (или стабилизации) выходного напряжения. Распределитель импуль. сов 16 обеспечивает 120-градусный фазовый сдвиг между управляюшими сигналами ключей инвсртора (см. 19 - 24 на фиг. 2) и может . быть выполнен, например, по трехфазной схеме пересчетного кольца на триггерах Э =К-типа. 35 40 45 Ю 55 Всличинз выходного ндпряжсния определяетсявеличиной углз регулирования о 1, зздзвземогомодулятором ширины импульсов 17 (см.фиг.2),Кдк указывалось, при управлении ключамиинвсрторд сигналом с ОН 1 ИР могут возникзтьискажения выхоцного нзпряжения. Они возникзют при работе инвсрторд нд активно.индуктивную нзгрузку в момент регулировочныхпауз, когда фдзный ток, опредсляемый угломнзгрузки или углом псрсходз фдзного токаинвсрторз через нулсвос значение .1 , пересе.кается с временнои осью в зоне регулировочныхпауз. Во избежание искажающего воздействияреакции активно.индуктивной ндгрузки, т,с,сс ЭДС сдмоиндукции, в момент регулировоч.ной паузы согласно предложенному решениювключают рднес Выключенный ключ стойкиинвсрторд. Это включение производят толькопо сигналу измерительного уэлд3. Выходнымсигндлом цдтчикд токд 33 измерительного узла 3 является сигнал дндлсчичный потрсбляе.мому инвсрзором тока, В этом случае, когдафа говый угол псрсхолд мгновенного значениягока через ноль М эсгдновится больше:1 Г /3 ( Ч60 о), потребляемый инвсрторомток становится зндкопсрсмснным и нд выхоЛсизмерительного уэлд3 формируют сигндл.фиксирующий Ллигсльность здходд угла с, взону Л,/3 - 2 Х/3 (см. 33 и 13 нд фиг. 2). Процесс рсгулировдния осуществляется зд счет ШИР нд интсрвдлдх углов проводимости каждого из ключей Л/3 - 2 Ъ/3основные регулйровочныс паузы ) и нз интервалах 4 Ж/3 - 5 ЭС/3 (нззываемыс цополнительныс ре. гулировочные импульсы), подзвдсмыми по сигналу рззрсшсния от измерительного узла 13. М д ксима лько необходимое число до пол нитсль. ных импульсов нс превышает половины основ. ных регулировочных пауз, причем формируют их лишь при чисто индуктивной нагрузке, в моменты, когда фдзный резктивный ток ин. всртора возвращается обратно в источник пи.ф тзния (или шунтируюший выпрямитель.конлснсдтор). При других знзчениях угла нагрузки число дополнительных регулировочных импульсов уменьшают, причем оно ззвисит кзк от характера ндгрузки, тзк и от величины угла регулирования с Возможны .ситуации, при которых дополнительных импульсов на интервале 43 С/ - 5 Х/3 вообще не формируют, что определяется выходным сигналом с логических элементов И - НЕ 29, 30. Включение ключа инверторз на время регулнровочной паузы за счет дополнительного импульса обеспечивает замыкание всех фаз нагрузки инверторз нд ширину питания, обеспечивая возможность зпе. риодического ззтухзния токов; при этом фдзные напряжения нзгрузки равны нулю и нс844 ХоРасчсзы иоказываюг, что ири М -6 и 44 10при любых значениях угла с коэффициентгармоник тока Кг(1 )0,31.11 а фиг, 4 приведена рсгулировочная характс.5ристика инвсртора ио основной гармонике вы.ходного напряжения (действующее значение)О , иостроснйая в относительных единицахв функции угла регулирования о+. Как вид.но, она имсез практически линейный характер,10 причем линейность увеличивается при увели.чснии числа И. В приведенной таблице данызначения дсйствующсго значения основной гар.моники трсхфазного напряжения для двухзначений числа регулировочных пауз Й равного15 1 и 3, а также, для сравнения, в 3-й графеприведена в том жс масштабе линейная харак.тсристика,75 0,4 0,6 0,8 1,0 0 0,2 0,278 0,187 0,94 0 0,271 0,181 0,090 0 Я=1 045 0363оЧ Я ." 3 0,45 0,361 0.45 (1 - А) 0,45 0,360 0,270 0,180 0,090 0 30 Э 5 40 45 50 с я тем, что, с целью улучшения качествавыходной электроэнергии за счет уменьшениянелинейных искажений тока, он снабжен дели. 55телем частоты, четырехвходовыми логическимиэлементами И-НЕ и донолнитсльными двух. искажаются коммутационными импульсами от реакции активно-индуктивной нагрузки.Увеличение числа регулировочных импульсов й обеспсчивасг уменьшение качества выход. ного тока инвертора. Как видно из сравнения зависимостей, приведенных на фиг. 3, а и 3 б, искажения тока нагрузки упри0) умсньшаются с увеличением числа й. На графиках используется относительный угол регулирова- ния О 1. 3 г 1- с/с/. пат,Так, например, ири Ф 10 и угле регулирования с/=О, 4, коэффициент гармоникфазного тока инвертора уменьшается на 25%,а при 4,э=75 и том жс угле регулирования -на 7,5% при увеличении числа М от 1 до 3. Основной областью применения предложенного инвертора являстся частотно-регулируемый элсктропривод. Инвертор может применяться также во всех случаях, где требуется прсобразованис постоянного напряжсния, в трсхфаз. ное переменное, стабилизированное или рсгулирусмос ио величине фиксированной или рсгу. дирусмой частоты, с улучшенным качеством выходного тока. 1Формула изобретения 1. Трехфазный регулируемый инвертор, содержащий мост ключей, управляющий вход каждого из которых связан с выходом соответствующего логического элемента НЕ, связанного своим входом через последовательно сос. динснные двух и тпехвходовые логические элементы И - НЕ с выходом распределителя импульеов, и задающий генератор, связанный одним своим выходом с распределителем импульсов, и подключенного другим выходом через модулятор ширины импульсов к одному из входов каждого из трехвходбвых логичес. ких элементов И - НЕ, о т и и ч а ю ш и йвходовыми логичсскими элементами И, по чис.лу ключей инвертора, узлом измсрения токанагрузки, выход которого подсоединен к одному из входов всех четырсхвходовых логических элсмснтов И - НЕ, другие два входа каж.дого из которых соединены с распределитслсМимпульсов, а четвертый - с выходом модулятора ширины импульсов, входы дополнительного двухвходового логического элемента Иподключены соответственно к выходам двух.входового и четырехвходового логического элементов И - НЕ, а их выходы подключены ковходам соответствующих логических элементовНЕ.2. Трехфазный регулируемый инвертор поп,1, отличающийся тем,чтоузелизмерения тока нагрузки содержит датчик тока,выполненный в виде резистора, включенногов цепь питания инвертора, и последовательносвяэанныс между собой усилитель, входомподключенный к резистору, эмиттерный повто.ритель и триггер.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР 11". 473271кл. Н 02 Р 13/18, 1972.2, Авторское свидетельство СССР У 390639,кл. Н 02 Р 13/18, 1966.3. Патент Великобритании Но 1167566, Н 2 Р1967.4. Авторское свидетельство СССР НО 2416674/07.